Cimentos de fosfato de magnésio: consolidação e caracterização

A reação entre o óxido de magnésio (MgO) e o fosfato de monoamónio (MAP), à temperatura ambiente, origina os cimentos de fosfato de magnésio, materiais caracterizados pela sua presa rápida e pelas excelentes propriedades mecânicas adquiridas precocemente. As propriedades finais são dependentes, essencialmente, da composição do cimento (razão molar magnésia:fosfato e utilização de retardantes de presa) mas também são influenciadas pela reatividade da magnésia utilizada. Neste trabalho, a reação foi caracterizada através do estudo da influência da razão molar MgO:MAP (variando de 1:1 até 8:1), da presença e teor de aditivos retardantes (ácido bórico, ácido cítrico e tripolifosfato de sódio) e da variação da área superficial específica da magnésia (conseguida por calcinação do óxido), no tempo de presa, na temperatura máxima atingida e nas fases cristalinas finais formadas. A reação de presa pode ser comparada à hidratação do cimento Portland, com a existência de 4 estágios (reação inicial, indução, aceleração e desaceleração), com a diferença que estes estágios ocorrem a velocidade muito mais alta nos cimentos de fosfato de magnésio. Este estudo foi realizado utilizando a espetroscopia de impedâncias, acompanhada pela monitorização da evolução de temperatura ao longo do tempo de reação e, por paragem de reação, identificando as fases cristalinas formadas. A investigação do mecanismo de reação foi complementada com a observação da microestrutura dos cimentos formados e permitiu concluir que a origem da magnésia usada não afeta a reação nem as propriedades do cimento final. A metodologia de superfície de resposta foi utilizada para o estudo e otimização das características finais do produto, tendo-se mostrado um método muito eficaz. Para o estudo da variação da área superficial específica da magnésia com as condições de calcinação (temperatura e tempo de patamar) usou-se o planeamento fatorial de experiências tendo sido obtido um modelo matemático que relaciona a resposta da área superficial específica da magnésia com as condições de calcinação. As propriedades finais dos cimentos (resistência mecânica à compressão e absorção de água) foram estudadas utilizando o planeamento simplex de experiências, que permitiu encontrar modelos que relacionam a propriedade em estudo com os valores das variáveis (razão molar MgO:MAP, área superficial específica da magnésia e quantidade de ácido bórico). Estes modelos podem ser usados para formular composições e produzir cimentos com propriedades finais específicas.

Contribuição para o conhecimento das propriedades pozolânicas da fracção fina resultante da produção de areia de origem granítica

O presente estudo diz respeito a um trabalho de pesquisa no âmbito de uma Tese de Mestrado incluída no segundo ciclo de estudos do curso de Engenharia Geotécnica e Geoambiente, realizado sobre as condições de desidroxilação para a obtenção de metacaulino com propriedades cimentíceas, a partir da fracção argilosa proveniente dos finos residuais da produção de areias de natureza granítica. O produto resultante da alteração e desintegração dos feldspatos constituintes dos granitos são ricos em caulinite. Na natureza e em particular no Norte de Portugal, existem significativos depósitos cauliníticos com características potenciadoras para a produção de metacaulino. O metacaulino utilizado neste estudo foi obtido de uma amostra de argila submetida a 750oC, por um período de tempo de 30 minutos, processo que permitiu a desidroxilação quase total da matéria-prima, transformando esta numa fase amorfa e irreversível, com propriedades pozolânicas. Os metacaulinos, também conhecidos por geopolímeros, são produtos de fácil produção utilizando uma matéria-prima abundante e proporcionam a obtenção de novos produtos que permitem a substituição parcial do cimento Portland normal na composição das pastas de betão, com vantagens significativas no comportamento mecânico e na resistência aos agentes atmosféricos. Neste estudo são apresentados os resultados dos ensaios de caracterização da matéria-prima, das condições de calcinação e do produto resultante da desidroxilação, nomeadamente a determinação da pozolanicidade e das características fundamentais para a aplicabilidade do produto. No âmbito da especialidade de Georrecursos, consideramos que este trabalho está perfeitamente adequado, já que, para além do estudo para o conhecimento das propriedades da matéria-prima, foi possível, através das alterações introduzidas com o tratamento térmico, obter um novo produto, cuja utilização terá importantes reflexos na sustentabilidade dos recursos naturais e sua utilização.

Contribuição para o conhecimento sobre o efeito da utilização de material pozolânico no fabrico de betão

O presente trabalho, realizado no âmbito da Tese de Mestrado, tem como principal objectivo estudar as características pozolânicas dos materiais da zona de Arganil para substituição parcial do cimento Portland com o objectivo de intensificar certas qualidades devido à diminuição da porosidade do betão. Estas qualidades são interessantes quando se procura maior durabilidade. Para tal, foram realizados diversos ensaios para a caracterização física, química e mineralógica dos produtos. Os metacaulinos utilizados foram obtidos de amostras de argila submetidas a calcinação (750oC, durante uma hora), processo que permitiu a desidroxilação quase total da matéria-prima, transformando esta numa fase amorfa e irreversível, com propriedades pozolânicas. São apresentados os resultados dos ensaios de caracterização da matéria-prima, das condições de calcinação e do produto resultante da desidroxilação, nomeadamente a determinação da pozolanicidade e superfície específica e das características fundamentais para a aplicabilidade do produto. Descreve ainda o emprego do metacaulino em betões de resistência convencional. Estudou-se a influência do emprego do metacaulino (15% de substituição de cimento, em massa) na resistência à flexão e à compressão (aos 28 dias) em argamassas e o emprego de metacaulino (10%, 15% e 20% de substituição de cimento, em massa) na resistência à compressão (3, 7 e 28 dias) no betão.

Current mortars in conservation: an overview

Renders are an important item in historical buildings and the need for their periodical re-application is a basic conservation procedure. In modern times there has been a trend towards the replacement of traditional pure lime mortars by new formulations including Portland cement or hydraulic lime. Apart from those interventions on specific and very important monuments, in which the use oftraditional non-hydraulic mortars can be enforced, in most of the projects involving less than first order magnitude heritage the use of some sort of hydraulic components is becoming the rule rather than the exception. The present paper describes and analyses the results of an experimental study with ten formulations of current mortars - including some that can hardly be considered as adequate conservation procedures - allowing a direct comparison in terms of some of the most relevant characteristics.

Experimental study on polyester based concretes filled with glass fibre reinforced plastic recyclates – a contribution to composite materials sustainability

The development and applications of thermoset polymeric composites, namely fibre reinforced plastics (FRP), have shifted in the last decades more and more into the mass market [1]. Despite of all advantages associated to FRP based products, the increasing production and consume also lead to an increasing amount of FRP wastes, either end-of-lifecycle products, or scrap and by-products generated by the manufacturing process itself. Whereas thermoplastic FRPs can be easily recycled, by remelting and remoulding, recyclability of thermosetting FRPs constitutes a more difficult task due to cross-linked nature of resin matrix. To date, most of the thermoset based FRP waste is being incinerated or landfilled, leading to negative environmental impacts and supplementary added costs to FRP producers and suppliers. This actual framework is putting increasing pressure on the industry to address the options available for FRP waste management, being an important driver for applied research undertaken cost efficient recycling methods. [1-2]. In spite of this, research on recycling solutions for thermoset composites is still at an elementary stage. Thermal and/or chemical recycling processes, with partial fibre recovering, have been investigated mostly for carbon fibre reinforced plastics (CFRP) due to inherent value of carbon fibre reinforcement; whereas for glass fibre reinforced plastics (GFRP), mechanical recycling, by means of milling and grinding processes, has been considered a more viable recycling method [1-2]. Though, at the moment, few solutions in the reuse of mechanically-recycled GFRP composites into valueadded products are being explored. Aiming filling this gap, in this study, a new waste management solution for thermoset GFRP based products was assessed. The mechanical recycling approach, with reduction of GFRP waste to powdered and fibrous materials was applied, and the potential added value of obtained recyclates was experimentally investigated as raw material for polyester based mortars. The use of a cementless concrete as host material for GFRP recyclates, instead of a conventional Portland cement based concrete, presents an important asset in avoiding the eventual incompatibility problems arisen from alkalis silica reaction between glass fibres and cementious binder matrix. Additionally, due to hermetic nature of resin binder, polymer based concretes present greater ability for incorporating recycled waste products [3]. Under this scope, different GFRP waste admixed polymer mortar (PM) formulations were analyzed varying the size grading and content of GFRP powder and fibre mix waste. Added value of potential recycling solution was assessed by means of flexural and compressive loading capacities of modified mortars with regard to waste-free polymer mortars.

Estudo de Argamassas com Cinza de Casca de Amêndoa

Perante o elevado consumo de materiais naturais no processo e produtos na área da construção civil, o reaproveitamento de resíduos é uma das soluções a ser estudada. As cinzas agroindustriais têm lugar de destaque entre estes resíduos, pois têm a possibilidade de aplicação em materiais cimentícios, reduzindo assim o consumo de cimento de Portland. O presente estudo debruça-se sobre a substituição parcial (1,5% e 5%) de cimento de Portland por cinzas de casca de amêndoa. Realizaram-se provetes com diferentes tipos de argamassas: (i) uma de controlo sem substituição de cimento (ARF); (ii) uma com 1,5% de substituição parcial de cimento por cinzas de casca de amêndoa (CCA 1,5%); (iii) e uma com 5% de substituição parcial de cimento por cinza de casca de amêndoa (CCA 5%). Executaram-se ensaios para resistências mecânicas aos 3, 7, 14, 28 e 41 dias de idade. A nível químico pode-se concluir que esta cinza de casca de amêndoa não apresentou qualquer potencial pozolânico. A trabalhabilidade na generalidade diminui ligeiramente, contendo cinza de casca de amêndoa, mas ainda assim considerando-se de fácil manuseamento. Em relação às resistências mecânicas, pode-se concluir que o ideal é a substituição parcial de cimento com 1,5%, pois as resistências diminuem com o uso de uma maior percentagem de substituição, ou seja, o ideal é substituir em pequenas percentagens. Com os dados obtidos, conclui-se que as cinzas testadas não apresentam características necessárias para serem consideradas pozolanas e se será viável a sua utilização mesmo como filer.

Electrodialytic remediation of two types of air pollution control residues and their applicability in construction materials

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia do Ambiente Perfil de Engenharia de Sistemas Ambientais

Studies on the Quality of Rainwater at Various Land Use Locations and Variations by Interaction with Domestic Rainwater Harvesting Systems

The present study focused on the quality of rainwater at various land use locations and its variations on interaction with various domestic rainwater harvesting systems.Sampling sites were selected based upon the land use pattern of the locations and were classified as rural, urban, industrial and sub urban. Rainwater samples were collected from the south west monsoon of May 2007 to north east monsoon of October 2008, from four sampling sites namely Kothamangalam, Emakulam, Eloor and Kalamassery, in Ernakulam district of the State of Kerala, which characterized typical rural, urban, industrial and suburban locations respectively. Rain water samples at various stages of harvesting were also collected. The samples were analyzed according to standard procedures and their physico-chemical and microbiological parameters were determined. The variations of the chemical composition of the rainwater collected were studied using statistical methods. It was observed that 17.5%, 30%, 45.8% and 12.1% of rainwater samples collected at rural, urban, industrial and suburban locations respectively had pH less than 5.6, which is considered as the pH of cloud water at equilibrium with atmospheric CO,.Nearly 46% of the rainwater samples were in acidic range in the industrial location while it was only 17% in the rural location. Multivariate statistical analysls was done using Principal Component Analysis, and the sources that inf1uence the composition of rainwater at each locations were identified .which clearly indicated that the quality of rain water is site specific and represents the atmospheric characteristics of the free fall The quality of harvested rainwater showed significant variations at different stages of harvesting due to deposition of dust from the roof catchment surface, leaching of cement constituents etc. Except the micro biological quality, the harvested rainwater satisfied the Indian Standard guide lines for drinking water. Studies conducted on the leaching of cement constituents in water concluded that tanks made with ordinary portland cement and portland pozzolana cement could be safely used for storage of rain water.

Behaviour of laterised normal and self compacting concrete subjected to elevated temperatures

Concrete is a universal material in the construction industry. With natural resources like sand and aggregate, fast depleting, it is time to look for alternate materials to substitute these in the process of making concrete. There are instances like exposure to solar radiation, fire, furnaces, and nuclear reactor vessels, special applications like missile launching pads etc., where concrete is exposed to temperature variations In this research work, an attempt has been made to understand the behaviour of concrete when weathered laterite aggregate is used in both conventional and self compacting normal strength concrete. The study has been extended to understand the thermal behaviour of both types of laterised concretes and to check suitability as a fire protection material. A systematic study of laterised concrete considering parameters like source of laterite aggregate, grades of Ordinary Portland Cement (OPC) and types of supplementary cementitious materials (fly ash and GGBFS) has been carried out to arrive at a feasible combination of various ingredients in laterised concrete. A mix design methodology has been proposed for making normal strength laterised self compacting concrete based on trial mixes and the same has also been validated. The physical and mechanical properties of laterised concretes have been studied with respect to different variables like exposure temperature (200°C, 400°C and 600°C) and cooling environment (air cooled and water cooled). The behaviour of ferrocement elements with laterised self compacting concrete has also been studied by varying the cover to mesh reinforcement (10mm to 50mm at an interval of 10mm), exposure temperature and cooling environment.

Behavior of geopolymer concrete exposed to elevated temperatures

The research in the area of geopolymer is gaining momentum during the past 20 years. Studies confirm that geopolymer concrete has good compressive strength, tensile strength, flexural strength, modulus of elasticity and durability. These properties are comparable with OPC concrete.There are many occasions where concrete is exposed to elevated temperatures like fire exposure from thermal processor, exposure from furnaces, nuclear exposure, etc.. In such cases, understanding of the behaviour of concrete and structural members exposed to elevated temperatures is vital. Even though many research reports are available about the behaviour of OPC concrete at elevated temperatures, there is limited information available about the behaviour of geopolymer concrete after exposure to elevated temperatures. A preliminary study was carried out for the selection of a mix proportion. The important variable considered in the present study include alkali/fly ash ratio, percentage of total aggregate content, fine aggregate to total aggregate ratio, molarity of sodium hydroxide, sodium silicate to sodium hydroxide ratio, curing temperature and curing period. Influence of different variables on engineering properties of geopolymer concrete was investigated. The study on interface shear strength of reinforced and unreinforced geopolymer concrete as well as OPC concrete was also carried out. Engineering properties of fly ash based geopolymer concrete after exposure to elevated temperatures (ambient to 800 °C) were studied and the corresponding results were compared with those of conventional concrete. Scanning Electron Microscope analysis, Fourier Transform Infrared analysis, X-ray powder Diffractometer analysis and Thermogravimetric analysis of geopolymer mortar or paste at ambient temperature and after exposure to elevated temperature were also carried out in the present research work. Experimental study was conducted on geopolymer concrete beams after exposure to elevated temperatures (ambient to 800 °C). Load deflection characteristics, ductility and moment-curvature behaviour of the geopolymer concrete beams after exposure to elevated temperatures were investigated. Based on the present study, major conclusions derived could be summarized as follows. There is a definite proportion for various ingredients to achieve maximum strength properties. Geopolymer concrete with total aggregate content of 70% by volume, ratio of fine aggregate to total aggregate of 0.35, NaOH molarity 10, Na2SiO3/NaOH ratio of 2.5 and alkali to fly ash ratio of 0.55 gave maximum compressive strength in the present study. An early strength development in geopolymer concrete could be achieved by the proper selection of curing temperature and the period of curing. With 24 hours of curing at 100 °C, 96.4% of the 28th day cube compressive strength could be achieved in 7 days in the present study. The interface shear strength of geopolymer concrete is lower to that of OPC concrete. Compared to OPC concrete, a reduction in the interface shear strength by 33% and 29% was observed for unreinforced and reinforced geopolymer specimens respectively. The interface shear strength of geopolymer concrete is lower than ordinary Portland cement concrete. The interface shear strength of geopolymer concrete can be approximately estimated as 50% of the value obtained based on the available equations for the calculation of interface shear strength of ordinary portland cement concrete (method used in Mattock and ACI). Fly ash based geopolymer concrete undergoes a high rate of strength loss (compressive strength, tensile strength and modulus of elasticity) during its early heating period (up to 200 °C) compared to OPC concrete. At a temperature exposure beyond 600 °C, the unreacted crystalline materials in geopolymer concrete get transformed into amorphous state and undergo polymerization. As a result, there is no further strength loss (compressive strength, tensile strength and modulus of elasticity) in geopolymer concrete, whereas, OPC concrete continues to lose its strength properties at a faster rate beyond a temperature exposure of 600 °C. At present no equation is available to predict the strength properties of geopolymer concrete after exposure to elevated temperatures. Based on the study carried out, new equations have been proposed to predict the residual strengths (cube compressive strength, split tensile strength and modulus of elasticity) of geopolymer concrete after exposure to elevated temperatures (upto 800 °C). These equations could be used for material modelling until better refined equations are available. Compared to OPC concrete, geopolymer concrete shows better resistance against surface cracking when exposed to elevated temperatures. In the present study, while OPC concrete started developing cracks at 400 °C, geopolymer concrete did not show any visible cracks up to 600 °C and developed only minor cracks at an exposure temperatureof 800 °C. Geopolymer concrete beams develop crack at an early load stages if they are exposed to elevated temperatures. Even though the material strength of the geopolymer concrete does not decrease beyond 600 °C, the flexural strength of corresponding beam reduces rapidly after 600 °C temperature exposure, primarily due to the rapid loss of the strength of steel. With increase in temperature, the curvature at yield point of geopolymer concrete beam increases and thereby the ductility reduces. In the present study, compared to the ductility at ambient temperature, the ductility of geopolymer concrete beams reduces by 63.8% at 800 °C temperature exposure. Appropriate equations have been proposed to predict the service load crack width of geopolymer concrete beam exposed to elevated temperatures. These equations could be used to limit the service load on geopolymer concrete beams exposed to elevated temperatures (up to 800 °C) for a predefined crack width (between 0.1mm and 0.3 mm) or vice versa. The moment-curvature relationship of geopolymer concrete beams at ambient temperature is similar to that of RCC beams and this could be predicted using strain compatibility approach Once exposed to an elevated temperature, the strain compatibility approach underestimates the curvature of geopolymer concrete beams between the first cracking and yielding point.

Effect of accelerated carbonation on cementitious roofing tiles reinforced with lignocellulosic fibre

The present work evaluated the effects of accelerated carbonation on mechanical and physical characteristics of cementitious roofing tiles reinforced with vegetable fibre. The maximum load and toughness of the tiles have increased approximately 25% and 80% respectively as a consequence of the accelerated carbonation. Water absorption and apparent porosity decreased with carbonation while bulk density increased as a clear indication of the densification of the composite. The improvement on the mechanical performance suggests that the fibres retained their tensile strength in the inorganic matrix. Results of specimens extracted from the tested tiles after approximately 480 days in laboratory environment and further aged indicate that soak and dry cycles promoted some leaching of hydration products and more voids and lower density when performed before carbonation. The results indicate the utilization of accelerated carbonation as an effective procedure to mitigate the degradation suffered by the cellulose fibres in the less aggressive medium. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Fracture and fatigue of natural fiber-reinforced cementitious composites

This paper presents the results of an experimental study of resistance-curve behavior and fatigue crack growth in cementitious matrices reinforced with eco-friendly natural fibers obtained from agricultural by-products. The composites include: blast furnace slag cement reinforced with pulped fibers of sisal, banana and bleached eucalyptus pulp, and ordinary Portland cement composites reinforced with bleached eucalyptus pulp. Fracture resistance (R-curve) and fatigue crack growth behavior were studied using single-edge notched bend specimens. The observed stable crack growth behavior was then related to crack/microstructure interactions that were elucidated via scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). Fracture mechanics models were used to quantify the observed crack-tip shielding due to crack-bridging. The implications of the results are also discussed for the design of natural fiber-reinforced composite materials for affordable housing. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Interfacial interactions in concretes with silica fume and SBR latex

This paper deals with the effect of silica fume and styrene-butadiene latex (SBR) on the microstructure of the interfacial transition zone (ITZ) between Portland cement paste and aggregates (basalt). Scanning electron microscope (SEM) equipped with energy dispersive X-ray analysis system (EDX) was used to determine the ITZ thickness. In the plain concrete a marked ITZ around the aggregate particles (55 mu m) was observed, while in concretes with silica fume or latex SBR the ITZ was less pronounced (35-40 mu m). However, better results were observed in concretes with silica fume and latex SBR (20-25 mu m). (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Estudo sobre a potencialidade de uso das escórias de aciaria como adição ao concreto

A geração de resíduos tem se mostrado um problema de preocupação mundial crescente. Muitos rejeitos, sejam industriais ou urbanos, muitas vezes acabam por poluir o meio-ambiente, causando problemas de armazenagem de certos materiais. Além disso, materiais alternativos a partir desses rejeitos podem ser mais baratos, apresentando muitas vezes características de desempenho melhores que os materiais convencionais. As siderúrgicas, em nível mundial, vêm enfrentando um problema comum, que consiste no que fazer para que a totalidade da escória gerada no refino do aço em aciarias elétricas ou à oxigênio tenha uma solução de aproveitamento melhor do que vem sendo feito atualmente. Na fabricação do aço as escorias são geradas em duas etapas: a primeira provém do chamado refino oxidante (forno elétrico a arco ou convertedor à oxigênio) e a segunda do refino redutor em processos de metalurgia na panela (forno-panela). Este trabalho tem como objetivo principal o de apontar potencialidades de uso da escória de aciaria elétrica, com destaque para a proveniente do forno-panela (escória do refino redutor), na indústria da construção civil através de testes em que a escória é utilizada, após moagem, como adição ao cimento Portland comum. Inicialmente foram realizados ensaios de viabilização para se testar a pozolanicidade, resistência à compressão, expansibilidade e profundidade de carbonatação de concretos gerados com diversas adições de escórias de aciaria elétrica. Comprovada a sua viabilidade partiu-se para os ensaios complementares do trabalho utilizando-se somente uma escória do refino redutor. Nesta segunda etapa foram realizados ensaios de caracterização de todos materiais estudados, ensaios de expansibilidade, ensaios mecânicos e de durabilidade dos concretos gerados com esta escória e ensaios de microscopia eletrônica de varredura e de difração de raios X do material. Após o estudo realizado comprovou-se ser perfeitamente viável a utilização de até 10% da escória do refino redutor (forno-panela- FP) como adição ao cimento para produção de concretos. Inclusive, independente do tempo de estocagem da escória, pode-se constatar melhorias no concreto produzido.

Estudo da viabilidade técnica da utilização de escórias de aciaria do processo LD como adição em cimentos

A reciclagem de resíduos apresenta-se como uma alternativa adequada com relação à preservação dos recursos naturais e do meio ambiente. As escórias de aciaria são resíduos siderúrgicos originados na fabricação do aço, e são geradas em grandes quantidades. Estes resíduos são estocados nos pátios siderúrgicos, onde permanecem, na sua maioria, sem qualquer destino. Normalmente, as escórias de aciaria são volumetricamente instáveis, apresentando características expansivas, e por esta razão, a aplicação das mesmas em materiais de construção torna-se restrita. Esta pesquisa tem como objetivo estudar a viabilidade técnica do uso das escórias de aciaria LD como adição em cimentos, propondo um método de estabilização por meio de granulação por resfriamento brusco destas escórias, buscando, desta forma, a eliminação do fenômeno da expansão, e visando a melhoria das características destes resíduos. No processo de estabilização, a escória líquida foi granulada em uma usina siderúrgica. Estudos complementares de granulação foram realizados nos laboratórios da UFRGS, empregando-se escórias refundidas. A granulação por resfriamento brusco favoreceu a redução do CaOlivre, a eliminação do MgO na forma de periclásio, e a eliminação do bC2S das escórias, considerados agentes causadores da expansão. No entanto, a elevada basicidade da escória LD dificulta a formação da estrutura vítrea e a separação da fração metálica após o resfriamento brusco. Foram realizados ensaios de expansão das escórias, atividade pozolânica, e resistência mecânica de argamassas com escórias granuladas. O resfriamento brusco proporcionou a eliminação da expansão e o desenvolvimento das propriedades pozolânicas/cimentícias da escória granulada. Como adição em cimentos, do ponto de vista da resistência mecânica, as argamassas compostas com escórias granuladas e clínquer apresentaram níveis de resistência à compressão axial compatíveis com as especificações referentes ao cimento Portland composto, apesar destes resultados serem inferiores aos obtidos para as argamassas de referência.